ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Цель работы: изучение принципа действия аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей; практическое исследование преобразования напряжений в цифровой код методом поразрядного уравновешивания на основе параллельного цифро-аналогового преобразователя с матрицей на весовых резисторах.
Общие сведения
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют аналоговые величины в цифровой код и обеспечивают связь различных аналоговых измерителей с цифровыми устройствами. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) осуществляют преобразование цифровых величин в аналоговые. Из многообразия серийно выпускаемых промышленностью преобразователей по быстродействию, точности и надежности выделяются параллельный ЦАП (рис.14.1) и АЦП поразрядного уравновешивания (рис.14.2).
Основным элементом параллельного ЦАП с матрицей на резисторах является операционный усилитель (ОУ) DА, работающий в режиме суммирования входных токов I 1, I 2, I 3,... I n, количество которых равно числу разрядов кода (рис.14.1). Преобразуемый код поступает на входы ключей K 1, K 2, K 3,..., K n, и в зависимости от цифры в данном разряде аi (0 или 1), резисторы подключаются либо к шине “земля”, либо к источнику опорного напряжения U оп. Сопротивления резисторов управляемой резистивной матрицы (УРМ) набираются по двоичному коду Ri=2n-i·R. При таких условиях ток младшего разряда I 1= U оп/(R× 2n- 1), а суммарный ток усилителя равен сумме всех токов, протекающих от источника U оп через ветви с замкнутыми ключами I S=(2n- 1 аn + 2n- 2 а n-1+...+21 а 2+20 а 1) I 1. Ток I S и информационная составляющая выходного напряжения ЦАП на выходе преобразователя DA «ток – напряжение» (I - U) пропорциональны входному коду
При этом, если все значения разрядов кода а 1, a 2,..., a n равны единицам, то
+80мВ+40мВ+20мВ+10мВ+5мВ+2, 5мВ=10, 24 В. С позиций оптимального сочетания быстродействия, точности и надежности для построения АЦП может быть использован метод поразрядного уравновешивания. Структура АЦП с поразрядным уравновешиванием представлена на рис.14.2.
После запуска АЦП под действием сигналов генератора тактовых импульсов (ГТИ) в регистре последовательного приближения (РПП) вырабатывается испытательный код, который, начиная от старшего 12-го разряда и кончая первым младшим разрядом, с помощью УРМ и преобразователя I - U преобразуется в уровни испытательного напряжения  . Входное напряжение U вх сравнивается с испытательным напряжением компаратором К, и в зависимости от результата сравнения соответствующее значение (0 или 1) разряда заносится в РПП и учитывается при последующих тактах сравнения. Выходной код РПП является цифровым аналогом U вх.
Очевидно, что набор образцовых напряжений не может быть осуществлен с большей точностью, чем шаг дискретизации Таблица 14.1
Рассмотрим численный пример. Пусть U вх=2720 мВ. Так как уровень напряжения старшего разряда равен U n/2=10240/2=5120 мВ, то значение аi = a12 старшего n- го разряда, зарегистрированное компаратором, будет равно «0» (U вх= 2720 < = 5120 мВ). Поэтому для первого такта уравновешивания будет получено значение аi = a12 =0 (см. табл.14.1). Уровень следующего n-1 разряда будет в два раза меньше старшего n -го разряда, и компаратор зарегистрирует значение a11 =1 (U вх=2720> =2560). На третьем такте уравновешивания = 2560+2560/2=3840 мВ, и будет зарегистрировано значение a10 =0; и т. д. до 12-го последнего такта уравновешивания. Значения ai для всех 12-ти тактов (разрядов) приведены в табл.14.1. На рис.14.3 представлена зависимость и ai в функции от тактов уравновешивания NТ. АЦП поразрядного уравновешивания исследуется в настоящей работе. Схема установки представлена на рис.14.4.
АЦП содержит: БИС DА1 типа КР572ПВ1А в специальном включении, выполняющую функции РПП и УРМ; ОУ DA2 типа КР544УД1А (преобразователь I - U); компаратор DA3 типа К554СА3; источник опорного напряжения ИОН; одновибратор ОВ на ИС К561ЛА7; ГТИ; счетчик циклов уравновешивания разрядов в одном преобразовании на ИС DD1 типа К155ИЕ5; дешифратор количества импульсов циклов уравновешивания на ИС DD3 типа К155ИД3 и инверторе DD2; переключатель количества циклов уравновешивания разрядов в одном преобразовании SA4; регулятор входного напряжения U вх на резисторе R1; переключатели SA1, SA2 для перевода режима работы схемы из непрерывного в ждущий; переключатель длительности тактовых импульсов (2 сек - 2 мс) SA3; кнопку запуска в ждущем режиме SB1 “запуск”; R - S триггер DD6 конца цикла преобразования; согласующие инверторы DD4, DD5; светодиоды HL1.... HL12 для отображения двоичного выходного кода АЦП; светодиод HL13, индицирующий конец цикла преобразования АЦП; диоды VD1, VD2 для защиты микросхемы от неправильного подключения питающих напряжений; диод VD3 для защиты DA1 при пробое ОУ DА2; клеммы для измерения входного U вх и выходного U вых= напряжений АЦП.
Изучаемый АЦП может работать в трех режимах преобразования: 1. Ждущий с регулировкой переключателем SA4 количества разрядов и одноразовым запуском цикла преобразования кнопкой SB1. Переключатели SA1 и SA2 должны быть выключены (в нижнем положении). 2. Непрерывный или периодический с регулировкой количества разрядов n переключателем SA4 и периодическим автозапуском после каждого преобразования. Переключатель SA1 находится в безразличном положении (включен или выключен), а SA2 включен (в верхнем положении). 3. Непрерывный или периодический без регулирования количества n разрядов (n=12). Переключатель SA1 включен, SA2 выключен. В одноразовом, ждущем режиме запуск АЦП осуществляется выходным импульсом ОВ, поступающим на вход 23 DA1 при каждом нажатии кнопки SB1 после загорания светодиода HL13. Преобразование в каждом цикле (поразрядное) осуществляется под действием выходных импульсов ГТИ, поступающих на вход 21 DA1 (на один разряд используется два импульса ГТИ). Период повторения ГТИ (2 с или 2 мс) изменяется переключателем SA3 при всех режимах работы. С выхода 38 DA1 выходной ток управляемой матрицы поступает в преобразователь DA2 «ток – напряжение» (I - U), преобразуется в напряжение и поступает на вход компаратора DA3. В компараторе это напряжение ( Так как уравновешивание осуществляется от старшего разряда к младшему, то и нумерация светодиодов HL для индикации значений ai разрядов осуществляется от старшего разряда к младшему (HL1 - старший, 12-й разряд, а HL12 - младший). При режиме непрерывной работы с регулировкой количества n разрядов, независимо от положения переключателя SA1, запуск АЦП осуществляется выходным импульсом ОВ по входу “запуск” (23 ножка DA1). При этом ОВ запускается через замкнутый переключатель SA2 перепадом напряжения с выхода инвертора DD2 блока ограничения количества разрядов в цикле преобразования (DD1, DD2, DD3). Количество n разрядов в каждом цикле преобразования при этом определяется положением переключателя SA4. Ограничиваются младшие, начиная с первого, разряды. Режим непрерывной работы без ограничения разрядности обеспечивается за счет запуска АЦП после окончания преобразования всех 12-ти разрядов цикла и подачи импульсов с 18-го вывода микросхемы DA1 «Выход Цикла» через замкнутый переключатель SA1 на 24-й вывод “Вход цикла”. Так как на преобразование одного разряда используется 2 импульса ГТИ, то при периоде повторения Т напряжения ГТИ для всех 12-ти разрядов с учетом потери такта “конец цикла” и такта на восстановление исходного состояния время полного преобразования (быстродействие АЦП) составит Тn=26Т. Основными параметрами ЦАП и АЦП являются разрешающая способность, точность и быстродействие (время одного преобразования). Разрешающая способность ЦАП и АЦП равна шагу квантования Точность ЦАП оценивается погрешностью преобразования входного кода при единичных значениях все разрядных коэффициентов в аналог gЦАП= При экспериментальном исследовании погрешность АЦП определяется из выражения gАЦП= где Погрешность преобразования входных напряжений Uвх в код АЦП (погрешность преобразования Uвх) определяется по формуле gnАЦП= где Аналогично определяется и погрешность преобразования входного кода Uвх в аналог ЦАП: gnЦАП= где Как отмечалось, быстродействие АЦП определяется временем одного преобразования Uвх в цифровой код.
|
). (1)
= U on= U пред. Приняв U on=10, 24 В при n =12, величина минимального уровня квантования или шага будет равна цене деления цифрового измерительного прибора 
U=U on/ 2n =2, 5 мВ. В этом случае при единичных значениях всех 12 разрядов кода набор образцовых напряжений в соответствии с (1) составит:
U определяет основную методическую составляющую погрешность АЦП, и после преобразования (завершения всех 12-ти тактов при n =12) установится приблизительное равенство двух сравниваемых напряжений U вх» 
U. Точность АЦП, в основном, определяется погрешностями ЦАП и компаратора. Погрешность АЦП состоит из методической и инструментальной. Методическая погрешность определятся величиной шага 
U /2. Инструментальная погрешность содержит: основную составляющую - погрешность дрейфа нуля (аддитивную составляющую), и погрешность нестабильности чувствительности или нестабильности коэффициента передачи элементов АЦП, в основном, УРМ (мультипликативную составляющую). В большинстве случаев инструментальная погрешность цифровых измерителей значительно меньше методической, и поэтому точность цифровых измерителей часто оценивается величиной относительной приведенной методической погрешности g@1/2n.
.
,
определяется по выходному коду АЦП и выражению (1) при U вх= U пр. Очевидно, экспериментальное значение gАЦП> g=1/2n, так как оно содержит также и другие составляющие инструментальной погрешности.
,
определяется по выходному коду АЦП и выражению (1) при входном напряжении Uвх; Uвх.э – напряжение Uвх, измеренное эталонным вольтметром.
,
